JP6706481B2 - Image sensor - Google Patents
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Description
本技術は、撮像素子に関する。詳しくは、飽和信号電荷量を向上させることができる撮像素子に関する。 The present technology relates to an image sensor. More specifically, the present invention relates to an image sensor capable of improving the saturation signal charge amount.
CCD(Charge-Coupled Device)イメージセンサは、画素に対応する光電変換素子(フォトダイオード)を2次元的に配列させ、光電変換素子によって電荷となった各画素の信号を、垂直転送CCDと水平転送CCDとを用いて順次読み出していくタイプのイメージセンサである。 In a CCD (Charge-Coupled Device) image sensor, photoelectric conversion elements (photodiodes) corresponding to pixels are two-dimensionally arrayed, and the signals of each pixel that have become electric charges by the photoelectric conversion elements are vertically transferred to a CCD and horizontally transferred. This is an image sensor of the type that sequentially reads out using a CCD.
一方、CMOSイメージセンサは、画素に対応する光電変換素子を2次元的に配列させる点ではCCDイメージセンサと同様であるが、信号の読み出しに垂直および水平転送のCCDを使用せず、メモリデバイスのようにアルミ、銅線などで構成される選択線によって、画素毎に蓄えられた信号を、選択された画素から読み出すものである。 On the other hand, the CMOS image sensor is similar to the CCD image sensor in that photoelectric conversion elements corresponding to pixels are arranged two-dimensionally, but the vertical and horizontal transfer CCDs are not used for reading signals, and the CMOS device The signal stored for each pixel is read from the selected pixel by the selection line made of aluminum, copper wire, or the like.
上記のようにCCDイメージセンサとCMOSイメージセンサは読出し方式などの異なる要素は多いが、双方ともにフォトダイオードは共通の構造である。 As described above, the CCD image sensor and the CMOS image sensor have many different elements such as a reading method, but both have the common structure of the photodiode.
光電変換素子に蓄積できる信号電荷量の最大値は、飽和信号電荷量(Qs)と称される。そして、高い飽和信号電荷量を有するイメージセンサは、ダイナミックレンジやSN比が向上したものとなる。したがって、イメージセンサの特性向上にとって、飽和信号電荷量の増加は非常に重要な要素となる。飽和信号電荷量を増加する方法としては、フォトダイオードの面積を増加させることや、フォトダイオードのPN接合容量を増加させることが考えられる。 The maximum value of the signal charge amount that can be stored in the photoelectric conversion element is called the saturated signal charge amount (Qs). The image sensor having a high saturation signal charge amount has an improved dynamic range and SN ratio. Therefore, the increase of the saturation signal charge amount is a very important factor for improving the characteristics of the image sensor. As a method of increasing the saturation signal charge amount, increasing the area of the photodiode or increasing the PN junction capacitance of the photodiode can be considered.
特許文献1では、光電変換素子の面積増加や不純物濃度を増加させることなく、飽和信号電荷量を増加させて高感度を得ることが可能な撮像素子について提案されている。
上記したように、飽和信号電荷量を増加する方法としては、フォトダイオードの面積を増加させることや、フォトダイオードのPN接合容量を増加させることが考えられる。 As described above, as a method of increasing the saturation signal charge amount, increasing the area of the photodiode or increasing the PN junction capacitance of the photodiode can be considered.
しかしながら、フォトダイオードの面積を増加させると、同じ画角で比較した場合、フォトダイオードの面積増加に伴い、イメージセンサの総画素数が減少してしまう。また、フォトダイオードのPN接合容量を増加させるために、P型領域とN型領域の濃度を増加させると、暗電流も増加してしまうため、PN接合容量を増加させるには限界がある。 However, if the area of the photodiode is increased, the total number of pixels of the image sensor will decrease with the increase of the area of the photodiode when compared at the same angle of view. Further, if the concentration of the P-type region and the N-type region is increased in order to increase the PN junction capacitance of the photodiode, the dark current also increases, so there is a limit to increase the PN junction capacitance.
また特許文献1では、PN接合容量拡大部を基板表面側から基板深さ方向に連続して伸ばすことで飽和信号電荷を増加させる技術が示されているが、読み出し電極の配置に制約が発生したり、信号の読み出しを優先するために最適なPN接合容量拡大パターンを選択するのが困難であったりするといった可能性があった。
Further,
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、飽和信号電荷量を増加させることができるようにするものである。 The present technology has been made in view of such a situation, and makes it possible to increase the saturation signal charge amount.
本技術の一側面の撮像素子は、半導体基板に基板の上面から深さ方向に順に、第1のP型不純物領域と、第1のN型不純物領域と、前記第1のN型不純物領域よりも濃度が低い第1の低濃度N型不純物領域と、第2のP型不純物領域と第2のN型不純物領域とからPN接合面を形成する容量拡大部とを備え、前記第1のP型不純物領域、前記第1のN型不純物領域、および前記第1の低濃度N型不純物領域は第1の方向において積層され、前記第2のP型不純物領域と前記第2のN型不純物領域は、前記第1の方向とは異なる第2の方向において積層され、前記第1のN型不純物領域と前記第2のN型不純物領域の濃度は、前記第1の低濃度N型不純物領域よりも高い濃度である。 Imaging element to an embodiment of the present technology, in order in the depth direction from the top surface of the substrate to the semiconductor substrate, a first P-type impurity region, a first N-type impurity region, than the first N-type impurity regions with a low concentration of the first low-concentration N-type impurity region, and a capacity expansion portion that forms a PN junction surface and a second P-type impurity region and the second N-type impurity region, said first P -Type impurity region, the first N-type impurity region, and the first low-concentration N-type impurity region are stacked in the first direction, and the second P-type impurity region and the second N-type impurity region are stacked. Are stacked in a second direction different from the first direction, and the concentrations of the first N-type impurity region and the second N-type impurity region are higher than those of the first low-concentration N-type impurity region. Is also a high concentration .
前記第1のP型不純物領域の前記第2のN型不純物領域が設けられている面と対面する面に、蓄積された電荷を読み出す読み出し電極をさらに備え、前記容量拡大部は、前記第1のN型不純物領域よりさらに前記読み出し電極より遠い領域に形成されているようにすることができる。 A read electrode for reading accumulated charge is further provided on a surface of the first P-type impurity region facing a surface on which the second N-type impurity region is provided, and the capacitance expanding section includes the first electrode. Can be formed in a region farther from the read electrode than the N-type impurity region.
前記容量拡大部には、前記第2のP型不純物領域と前記第2のN型不純物領域が、交互に配置されているようにすることができる。 The second P-type impurity regions and the second N-type impurity regions may be alternately arranged in the capacitance expanding section.
前記容量拡大部から前記読み出し電極までは、前記電荷を読み出すためにポテンシャルの勾配が付けられているようにすることができる。 A potential gradient may be provided from the capacitance expanding section to the read electrode in order to read the charge.
前記容量拡大部内の前記第2のN型不純物領域は、所定方向からの断面図において、四角形状に形成されているようにすることができる。 The second N-type impurity region in the capacitance expanding portion may be formed in a quadrangular shape in a cross-sectional view from a predetermined direction.
前記容量拡大部内の前記第2のP型不純物領域は、所定方向からの断面図において、所定の幅を有する曲線形状に形成されているようにすることができる。 The second P-type impurity region in the capacitance expansion portion may be formed in a curved shape having a predetermined width in a cross-sectional view from a predetermined direction.
前記容量拡大部内の前記第2のP型不純物領域は、所定方向からの断面図において、所定の幅を有する円形状に形成されているようにすることができる。 The second P-type impurity region in the capacitance expanding portion may be formed in a circular shape having a predetermined width in a cross-sectional view from a predetermined direction.
前記容量拡大部の第2のP型不純物領域と第2のN型不純物領域の繰り返し間隔は、1μm以下とされているようにすることができる。 The repeating interval between the second P-type impurity region and the second N-type impurity region of the capacitance expanding portion may be 1 μm or less.
複数の撮像素子でフローティングディフュージョンを共有し、前記フローティングディフュージョンの近傍に、前記読み出し電極が配置されているようにすることができる。 The floating diffusion can be shared by a plurality of image pickup devices, and the readout electrode can be arranged in the vicinity of the floating diffusion.
本技術の一側面の撮像素子においては、半導体基板に基板の上面から深さ方向に順に、第1のP型不純物領域と、第1のN型不純物領域と、第1のN型不純物領域よりも濃度が低い第1の低濃度N型不純物領域と、第2のP型不純物領域と第2のN型不純物領域とからPN接合面を形成する容量拡大部とが積層されている。また、第1のP型不純物領域、第1のN型不純物領域、および第1の低濃度N型不純物領域は第1の方向において積層され、第2のP型不純物領域と第2のN型不純物領域は、第1の方向とは異なる第2の方向において積層され、第1のN型不純物領域と第2のN型不純物領域の濃度は、第1の低濃度N型不純物領域よりも高い濃度である。 In the image sensor according to one aspect of the present technology, a semiconductor substrate is formed in order from the upper surface of the substrate in the depth direction by a first P-type impurity region, a first N-type impurity region, and a first N-type impurity region. Also, a first low-concentration N-type impurity region having a low concentration, and a capacitance expanding portion forming a PN junction surface from the second P-type impurity region and the second N-type impurity region are stacked. Further , the first P-type impurity region, the first N-type impurity region, and the first low-concentration N-type impurity region are stacked in the first direction, and the second P-type impurity region and the second N-type impurity region are stacked. The impurity regions are stacked in a second direction different from the first direction, and the concentrations of the first N-type impurity region and the second N-type impurity region are higher than those of the first low-concentration N-type impurity region. The concentration .
本技術の一側面によれば、飽和信号電荷量を増加させることができる。 According to the embodiments of the present technology, it is possible to increase the saturation signal charge amount.
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。 Note that the effects described here are not necessarily limited, and may be any effects described in the present disclosure.
以下に、本技術を実施するための形態(以下、実施の形態という)について説明する。なお、説明は、以下の順序で行う。
1.撮像素子の構成(従来)
2.撮像素子の構成
3.PN接合容量拡大部のN+領域の形状について
4.飽和信号電荷量が向上することについて
5.撮像素子の他の構成
6.画素共有について
7.撮像素子の使用例
Below, the form (henceforth an embodiment) for carrying out this art is explained. The description will be given in the following order.
1. Image sensor configuration (conventional)
2. Configuration of
以下に説明する本技術は、CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサを構成する撮像素子に適用できるため、ここではそのような撮像素子を例に挙げて説明を行う。また、以下に説明する本技術を適用することで、撮像素子(光電変換素子(フォトダイオード))に蓄積できる信号電荷量の最大値である飽和信号電荷量(Qs)を増加させることができる。 The present technology described below can be applied to an image pickup device that constitutes a CCD image sensor or a CMOS image sensor, and therefore, such an image pickup device will be described as an example here. Further, by applying the present technology described below, it is possible to increase the saturated signal charge amount (Qs) that is the maximum value of the signal charge amount that can be accumulated in the image sensor (photoelectric conversion element (photodiode)).
このような効果を得られる本技術を適用した撮像素子について説明するために、まず比較のため、従来の撮像素子について簡便に説明を加える。 In order to describe the image pickup device to which the present technology that can obtain such effects is applied, first, for comparison, a conventional image pickup device will be briefly described.
<撮像素子の構成(従来)>
図1は、撮像素子の一例の構成を示す図である。撮像素子10は、シリコン基板の上面から深さ方向に順に、P+領域21、N+領域22、N−領域23、P+領域24の各不純物領域を形成した構造となっており、側面は、P+領域25で形成された構造となっている。
<Structure of image sensor (conventional)>
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an example of an image sensor. The
図1および以下の説明において、P+領域、P−領域といった表記の+および−は、不純物濃度が他の領域と比較して濃いことと薄いことを表している。 In FIG. 1 and the following description, the notations + and − such as the P+ region and the P− region indicate that the impurity concentration is higher and lower than the other regions.
このような構造を有する撮像素子10に、光が入射されると、電子・正孔対が発生し、信号電荷(電子)は、P型領域とN型領域の接合部に蓄積される。蓄積された電荷を読み出すための読み出し電極31が、図1に示した撮像素子10においては、P+領域21の上面に備えられている。
When light is incident on the
図1に示したような構造を有する撮像素子10における深さ方向とポテンシャル(Potential)との関係を示すと図2のようになる。図2において、横軸は撮像素子10の上面(P+領域21の上面)からの深さを表し、縦軸は、負のポテンシャルを表す。図2において、縦軸の値が大きい(負のポテンシャルが低い)ほど、電子にとっては高いポテンシャルであり、ホールにとっては低いポテンシャルである。
The relationship between the depth direction and the potential in the
以下の説明においては、図1に示した撮像素子10の構造であり、図2に示したポテンシャルの状態を有する撮像素子10を基準とし、基準とした撮像素子10との差異、ポテンシャルの変化などについて説明を加える。
In the following description, the structure of the
図3、図5、図7は、図1に示した撮像素子10に対して、飽和信号電荷量(Qs)を増加させるための構造を有する従来の撮像素子の一例を示す図である。以下の説明において、図1に示した撮像素子10と同様の構成を有する部分については、同様の符号を付し、その説明は適宜省略する。
3, 5, and 7 are diagrams showing an example of a conventional image sensor having a structure for increasing the saturation signal charge amount (Qs) with respect to the
図3に示した撮像素子50は、図1に示した基準となる撮像素子10に対して、N+領域22の領域を大きくした(深さを深くした)構造となっている。撮像素子50のN+領域61は、撮像素子10(図1)のN+領域22に比べて深い位置まで設けられている。
The
図4は、図3に示したような構造を有する撮像素子50における深さ方向とポテンシャル(Potential)との関係を示す図である。図4中、点線は、図2に実線で示した撮像素子10におけるポテンシャルの状態を表し、実線は、撮像素子50におけるポテンシャルの状態を表す。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the depth direction and the potential in the
撮像素子50のように、N+領域61を深くすることで、バルクの深部のポテンシャルを深くし、容量付けを行うことができる。図4に示したように、容量を付けが行われることで、負のポテンシャルが低い状態(ピークの状態)を深さ方向で維持できるようになり、飽和信号電荷量(Qs)を増加させることが可能となる。
By deepening the
しかしながら、この場合、イメージセンサ内の電界が不足したり、バリアが発生したりすることで読み出しゲートをオン(ON)したときに信号を全て読み出せない可能性がある。 However, in this case, there is a possibility that all the signals cannot be read when the read gate is turned on because the electric field in the image sensor is insufficient or a barrier is generated.
図5は、撮像素子の他の構成を示す図である。図5に示した撮像素子100は、図1に示した基準となる撮像素子10に対して、N+領域22の不純物濃度を濃くした構造となっている。撮像素子100のN++領域101は、撮像素子10(図1)のN+領域22に比べて不純物濃度が濃い状態とされている。
FIG. 5 is a diagram showing another configuration of the image sensor. The
図6は、図5に示したような構造を有する撮像素子100における深さ方向とポテンシャル(Potential)との関係を示す図である。図5中、点線は、図2に実線で示した撮像素子10におけるポテンシャルの状態を表し、実線は、撮像素子100におけるポテンシャルの状態を表す。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the depth direction and the potential in the
撮像素子100のように、P+領域21と接合されているN++領域101の不純物濃度を高めることで、イメージセンサ表面を深くし、表面に容量付けを行うことができる。図6に示したように、容量付けが行われることで、ピーク時の負のポテンシャルをより高い状態にすることができ、飽和信号電荷量(Qs)を増加させることが可能となる。
By increasing the impurity concentration of the
しかしながら、読み出しのための電圧を高くする必要があり、読み出し不良が発生したり、白点が悪化したりする可能性がある。 However, since it is necessary to increase the voltage for reading, there is a possibility that reading failure may occur or white spots may worsen.
図7は、撮像素子の他の構成を示す図である。図7に示した撮像素子150は、図1に示した基準となる撮像素子10に対して、P+領域21を薄くし(浅くし)、N+領域22を厚く(深く)した構造となっている。撮像素子150のP+領域151は、撮像素子10(図1)のP+領域21に比べて薄く(浅く)構成され、撮像素子150のN+領域152は、撮像素子10(図1)のN+領域22に比べて厚く(深く)構成されている。
FIG. 7 is a diagram showing another configuration of the image sensor. The
図8は、図7に示したような構造を有する撮像素子150における深さ方向とポテンシャル(Potential)との関係を示す図である。図7中、点線は、図2に実線で示した撮像素子10におけるポテンシャルの状態を表し、実線は、撮像素子150におけるポテンシャルの状態を表す。
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the depth direction and the potential in the
撮像素子150のように、N+領域152をシリコン基板表面側に拡大することで、図8に示したように、ポテンシャルのピークが開始する深さを浅い位置にもってくることができ、飽和信号電荷量(Qs)を増加させることが可能となる。
By expanding the
しかしながら、図5に示した撮像素子100と同じく、表面電界増大により白点が悪化する可能性がある。
However, as in the
そこで、飽和信号電荷量(Qs)を増加させることが可能であり、上記したような白点が悪化したり、読み出し不良が発生したりしない構造を有する撮像素子について、以下に説明する。 Therefore, an image pickup device having a structure capable of increasing the saturation signal charge amount (Qs) and preventing the white spots from being deteriorated and the read failure not occurring will be described below.
<撮像素子の構成>
図9は、本技術を適用した撮像素子の一実施の形態の構成を示す図である。
<Structure of image sensor>
FIG. 9: is a figure which shows the structure of one Embodiment of the image pick-up element to which this technique is applied.
図9に示した撮像素子300において、図1に示した撮像素子10と同様の構成を有する部分には、同様の符号を付し、その説明は適宜省略する。図9に示した撮像素子300は、図1に示した撮像素子10と比較して、N−領域23の領域が、N―領域301、N+領域302、およびP+領域303から構成されている点が異なり、他の部分は同様である。
In the
撮像素子300においては、高濃度のN+領域22の下層に設けられた低濃度のN―領域301の深さは浅く構成され、N−領域301と、高濃度のP+領域24との間には、N+領域302とP+領域303とからなる層が形成されている。ここでは、N+領域302とP+領域とからなる層を、PN接合容量拡大部310と記述する。このPN接合容量拡大部310は、撮像素子300の信号電荷蓄積部を拡大するために設けた部分であるため、ここでは、容量拡大部との記述を行う。
In the
PN接合容量拡大部310は、図9に示した例では、N+領域302−1、N+領域302−2、N+領域302−3、P+領域303−1、P+領域303−2を含み、N+領域302−1とN+領域302−2の間に、P+領域303−1が形成され、N+領域302−2とN+領域302−3の間に、P+領域303−2が形成された構成とされている。
In the example shown in FIG. 9, the PN junction
このように、PN接合容量拡大部310は、N+領域302(N型不純物領域)とP+領域303(P型不純物領域)とが交互に配置された構成とされている。
As described above, the PN junction
PN接合容量拡大部310のピッチ間隔、換言すれば、N+領域302とP+領域303の繰り返し間隔は、例えば、1.0um以下で構成されることが好ましい。例えば、N+領域302−1とP+領域303−1を合わせた幅は、1.0um以下で構成される。このピッチ間隔を小さく微細化することで、間に打つN型不純物濃度が増加し、より飽和信号電荷量(Qs)を増加させることができる。
The pitch interval of the PN junction
なお、後述するように、PN接合容量拡大部310のピッチ間隔は、図9に示した撮像素子300のように均一でも良いが、不均一でも良い。またここでは、N+領域302とP+領域303の繰り返し間隔は、例えば、1.0um以下であるとして説明を続けるが、本技術の適用範囲を限定する記載ではなく、他の間隔であっても本技術を適用できる。例えば、1.0um以上であっても、本技術を適用できる。
As will be described later, the pitch intervals of the PN junction
N+領域22やN―領域301を横方向に設けられた層であるとすると、PN接合容量拡大部310のN+領域302とP+領域303は、縦方向に設けられた層である。PN接合容量拡大部310は、N+領域302とP+領域303とが縦方向に交互に積層された構成であり、他の層とは異なる方向に積層された層である。
Assuming that the
また、PN接合容量拡大部310は、図10に示すように、ポテンシャル勾配を有した構成とされている。図10は、図9と同じく、撮像素子300を示した図であり、その撮像素子300に、信号電荷の流れを矢印で記載した図である。
Further, the PN junction
矢印で示したように、N+領域302−1で発生した電荷、N+領域302−2で発生した電荷、およびN+領域302−3で発生した電荷のそれぞれが、読み出し電極31の近くまで行くように、ポテンシャル勾配が付けられている。換言すれば、PN接合容量拡大部310から読み出し電極31間では、電荷を読み出すためのポテンシャル勾配が付けられている。
As indicated by the arrow, each of the charge generated in the N+ region 302-1, the charge generated in the N+ region 302-2, and the charge generated in the N+ region 302-3 is made to go close to the
図11に、図9に示した撮像素子300を、上面から見たときの図を示す。図11Aは、図9に示した撮像素子300と同じく、撮像素子300の断面図である。図11Aに示した撮像素子300においては、図9に示した撮像素子300のPN接合容量拡大部310は、同じく、PN接合容量拡大部310と記述するが、N+領域22とN−領域301をまとめて、N型不純物領域320と記述し、P+領域21をP型不純物領域330と記述する。
FIG. 11 shows a view of the
図11Aに示すように、撮像素子300は、読み出し電極31が設けられている側から順に、P型不純物領域330、N型不純物領域320、PN接合容量拡大部310が積層されている構造となされている。
As shown in FIG. 11A, the
P型不純物領域330とN型不純物領域320は、横方向に積層された層であり、PN接合容量拡大部310は、P型不純物領域330の層やN型不純物領域320の層とは異なる方向であり、図11Aに示した方向では縦方向にN+領域302とP+領域303が積層された層である。
The P-
このように、PN接合容量拡大部310は、他の層とは異なる方向に積層された層とすることができる。異なる方向として、他の層と垂直に交わる方向であっても良いし、所定の角度を有して交わる方向(斜め方向)であっても良い。
In this way, the PN junction
図11Bは、図11Aに示した撮像素子300をA−A’で切断したときの断面図である。図11Cは、B−B’で切断したときの断面図である。すなわち、図11Bは、N型不純物領域320における断面図であり、図11Cは、PN接合容量拡大部310における断面図である。
FIG. 11B is a cross-sectional view of the
図11Bに示したように、N型不純物領域320における断面図は、N型不純物が一様に拡散された面とされている。図11Bには、参考のため、読み出し電極31も図示した。読み出し電極31は、N型不純物領域320の一部分の領域上にかかるように配置される。
As shown in FIG. 11B, the cross-sectional view of the N-
本技術を適用した撮像素子300においては、読み出し電極31の配置位置に制限はなく、図12に示すような種々の位置に配置することが可能である。図12を参照するに、図11Bに示した場合と同じく、N型不純物領域320の図中右辺に読み出し電極31−1を設けることができる。また、図12に示したように、N型不純物領域320の図中下辺に読み出し電極31−2を設けても良い。
In the
読み出し電極31−1と読み出し電極31−2として示したように、配置だけでなく、読み出し電極の大きさも、自由度が高く、どのような大きさであっても、本技術を適用できる。また、図12に示すように、N型不純物領域320の角の部分に読み出し電極31−3を設けても良い。また、図12に示すように、N型不純物領域320の中央部分に読み出し電極31−4を設けても良い。
As shown as the read electrode 31-1 and the read electrode 31-2, not only the arrangement but also the size of the read electrode has a high degree of freedom, and the present technology can be applied to any size. Further, as shown in FIG. 12, the read electrode 31-3 may be provided at a corner portion of the N-
読み出し電極31−1乃至31−4として示したうちの、いずれかの位置に読み出し電極31は配置される。なお、図12に示した読み出し電極31以外の部分に、読み出し電極31が配置されていても良い。
The
本技術によれば、飽和信号電荷量(Qs)を増加させるための構造が、図3乃至図8を参照して説明した撮像素子のように、基板表面付近にある構造ではなく、基板の奥側にあるため、基板表面に配置される読み出し電極31を、上記したように、制限無く、所望とされる位置に配置することが可能である。すなわち、PN接合容量拡大部310の影響を受けないので、読み出し電極31に制約は無い。
According to the present technology, the structure for increasing the saturation signal charge amount (Qs) is not the structure near the surface of the substrate as in the image sensor described with reference to FIGS. Since it is on the side, the
図11Cを参照する。図11Cは、PN接合容量拡大部310の断面図である。PN接合容量拡大部310の断面は、N+領域302とP+領域303が交互に配置された状態とされている。PN接合容量拡大部310のN+領域302は、図11Cに示した例では、格子状に設けられ、16個の四角形で分散されて設けられている。
Reference is made to FIG. 11C. FIG. 11C is a cross-sectional view of the PN junction
1つの四角形の大きさは、どのような大きさであっても良いが、例えば、上記したように1.0um以下(四角形のN型領域と隣接するP型領域を合わせた大きさが1.0um以下)で構成されるような大きさであることが好ましい。また、形状も、四角形としたが、正方形、長方形、ひし形、台形などの形状であっても良いし、円、楕円など四角形以外の形状であっても良い。 Although the size of one quadrangle may be any size, for example, as described above, it is 1.0 μm or less (the total size of the quadrangular N-type region and the adjacent P-type region is 1.0 μm or less. ) Is preferable. Further, although the shape is a quadrangle, the shape may be a square, a rectangle, a rhombus, a trapezoid, or a shape other than a quadrangle such as a circle or an ellipse.
<PN接合容量拡大部のN+領域の形状について>
ここで、図13乃至図26を参照し、PN接合容量拡大部310のN+領域302の形状についてさらに説明する。図13乃至図26は、図11Cと同じく、PN接合容量拡大部310における断面図を示す。また図13乃至図26においては、説明のため、読み出し電極31も図示する。
<Regarding the shape of the N+ region of the PN junction capacitance expansion part>
Here, the shape of the
また、PN接合容量拡大部310のN+領域302の形状を例に挙げて説明を行うが、PN接合容量拡大部310のP+領域303の形状を例に挙げて説明した場合も、基本的に同様であるため、ここでは、N+領域302の方を例に挙げて説明を続ける。
Also, the shape of the
図13に示したPN接合容量拡大部310のN+領域302は、図11Cに示したN+領域302と同じく、格子状に設けられているが、1つの四角形が小さく、28個の四角形で分散されて設けられている。また、各N+領域302は角の部分で接触した状態で形成されている。このようにPN接合容量拡大部310のN+領域302の形状を、格子形状で設け、1つの格子は小さく形成する構造としても良い。
The
図14に示したPN接合容量拡大部310のN+領域302は、図11Cに示したN+領域302と同じく、格子状に設けられているが、1つの四角形が大きく、4個の四角形で分散されて設けられている。このようにPN接合容量拡大部310のN+領域302の形状を、格子形状で設け、1つの格子は大きく形成する構造としても良い。
The
なお、上記したように、PN接合容量拡大部310のピッチ間隔が、好ましくは1.0um以下で構成されている条件を満たした状態で、図14に示したPN接合容量拡大部310のN+領域302を適用する場合、1画素が小さければ、条件を満たした状態でN+領域302を構成することができる。すなわち、PN接合容量拡大部310のN+領域302の大きさは、1画素の大きさにより設定することができる。
Note that, as described above, the
図15に示したPN接合容量拡大部310のN+領域302は、図11Cに示したN+領域302と同じく、格子状に設けられているが、読み出し電極31が配置されている領域に配置されているN+領域302は、他の領域に配置されているN+領域302よりも大きく形成されている。このように、PN接合容量拡大部310内の個々のN+領域302の形状、大きさは、同一でなくても良い。
The
図16に示したPN接合容量拡大部310のN+領域302の形状は、P+領域303が格子状に離散的に形成され、その間を埋めるような形状とされている。N+領域302は、P+領域303以外の部分では接続されているような形状である。図16に示したように、N+領域302は、例えば、図15に示したように、個々のN+領域302は接続することなく離れた状態で形成されている形状でなくても良い。
The shape of the
図17に示したPN接合容量拡大部310のN+領域302は、図16に示したN+領域302と同様の形状であるが、読み出し電極31が配置されている領域に配置されているN+領域302は、他の領域に配置されているN+領域302よりも大きく形成され、その領域には、P+領域303が設けられていない点が異なる。
The
図18に示したPN接合容量拡大部310のN+領域302の形状は、長方形で形成されている。図18に示したN+領域302は、長方形で形成され、読み出し電極31に対して平行になる方向に長方形の長辺が来るように形成されている。
The shape of the
図19に示したPN接合容量拡大部310のN+領域302は、図18に示したN+領域302と同じく長方形で形成されているが、その方向が異なる。図19に示したN+領域302は、長方形で形成され、読み出し電極31に対して直行する方向に長方形の長辺が来るように形成されている。
The
図20に示したPN接合容量拡大部310のN+領域302は、図19に示したN+領域302と同じく長方形で形成されているが、その大きさが異なる。図20に示したN+領域302は、長方形で形成され、読み出し電極31に対して直行する方向に長方形の長辺が来るように形成され、N+領域302間には、P+領域303が設けられている。
The
図18乃至図20に示したように、N+領域302の形状は、長方形であっても良く、その長方形の長辺の方向は、読み出し電極31に対して平行になる方向であっても、直交する方向であっても良い。
As shown in FIGS. 18 to 20, the shape of the
図21に示したPN接合容量拡大部310のN+領域302は、PN接合容量拡大部310の領域内で、所定の幅を有して、斜め方向に、直線形状で設けられているP+領域303以外の領域を埋めるような形状とされている。
The
図22に示したPN接合容量拡大部310のN+領域302は、PN接合容量拡大部310の領域内で、所定の幅を有して、曲線形状(一部直線形状を含む)で設けられているP+領域303以外の領域を埋めるような形状とされている。
The
図23に示したPN接合容量拡大部310のN+領域302は、図22に示したN+領域302からさらに、所定の幅を有して、斜め方向と横方向に、直線形状で設けられているP+領域303を除いた領域に設けられている。
The
図24に示したPN接合容量拡大部310のN+領域302は、PN接合容量拡大部310の領域内で、所定の幅を有して、波形状(曲線形状)で設けられているP+領域303以外の領域を埋めるような形状とされている。
The
図25に示したPN接合容量拡大部310のN+領域302は、PN接合容量拡大部310の領域内で、所定の幅を有して、円形で設けられているP+領域303以外の領域を埋めるような形状とされている。
The
図26に示したPN接合容量拡大部310のN+領域302は、PN接合容量拡大部310の領域内で、所定の幅を有して、うずまき形状で設けられているP+領域303以外の領域を埋めるような形状とされている。
The
このように、PN接合容量拡大部310のN+領域302の形状(PN接合容量拡大部310のP+領域303の形状)は、格子状、棒状、曲線などのさまざまな形状を採用することが可能である。また、線対称、点対称、または非対称であっても良い。
As described above, as the shape of the
なお、図11C、図13乃至図26に示した形状は一例であり、限定を示すものではなく、他の形状であっても、本技術の適用範囲である。 Note that the shapes shown in FIG. 11C and FIGS. 13 to 26 are examples, and are not limitative, and other shapes are within the scope of application of the present technology.
しかしながら、好ましくは、以下の条件が満たされる形状が良い。上記したように、PN接合容量拡大部310のピッチ間隔が、1.0um以下で構成されている。またPN接合容量拡大部310内で、N+領域302とP+領域303の比率は、同等(1対1)であるか、またはN+領域302の方が、P+領域303よりも少し多い比率である。
However, a shape that satisfies the following conditions is preferable. As described above, the pitch interval of the PN junction
以下の説明では、図11Cに示したPN接合容量拡大部310の構成を例に挙げて説明を続ける。
In the following description, the description will be continued by exemplifying the configuration of the PN junction
<飽和信号電荷量が向上することについて>
上記した撮像素子300のように、P型不純物領域330、N型不純物領域320、およびPN接合容量拡大部310を積層した構造にすることで、飽和信号電荷量を向上させることが可能となる。ここで、飽和信号電荷量が向上することについて説明を加える。
<Improvement of saturation signal charge amount>
With the structure in which the P-
図27に、図1に示した基準とした撮像素子10(本技術を適用した撮像素子300と比較のために図示した撮像素子)の構成を再度示した。図27に示した撮像素子10は、図11に示した撮像素子300と比較するため、図27Aに、側面の断面図を示し、図27Bに、図27Aに示した撮像素子10をA−A’で切断したときの断面図を示し、図27Cに、図27Aに示した撮像素子10をB−B’で切断したときの断面図を示す。なお、図27Bには、参考のため、読み出し電極31も図示してある。
FIG. 27 shows the configuration of the reference image pickup device 10 (the
図27Aは、図1に示した撮像素子10と同じく、撮像素子10の断面図である。図27Aに示した撮像素子10においては、図1に示した撮像素子10のP+領域21をP型不純物領域410と記述し、N+領域22とN−領域23をまとめて、N型不純物領域420と記述する。
FIG. 27A is a cross-sectional view of the
撮像素子10には、PN接合容量拡大部310に該当する領域はないため、図27Aに示したように、P型不純物領域410とN型不純物領域420が積層された構造とされている。
Since the
図27Bは、図27Aに示した撮像素子10をA−A’で切断したときの断面図である。図27Cは、B−B’で切断したときの断面図である。撮像素子10の場合、図27Bと図27Cは、異なる位置で切断したときの断面図であるが、両図とも、N型不純物領域420における断面図となる。
FIG. 27B is a cross-sectional view of the
すなわち図27B,図27Cに示したように、N型不純物領域420における断面は、N型不純物が一様に拡散された面とされている。
That is, as shown in FIGS. 27B and 27C, the cross section of the N-
このような構成を有する撮像素子10の大きさと、飽和信号電荷量の関係について、図28、図29を参照して説明する。
The relationship between the size of the
図28は、撮像素子10を上面から見たときの断面図であり、図27Bまたは図27Cに示したA−A’またはB―B’で撮像素子10を切断したときの断面図である。図28A、図28B、図28Cは、それぞれ4μm×4μmの中に、1画素、4画素、16画素を構成し、それぞれの画素は、図1(図27)に示した撮像素子10の構成を有する場合を示している。
FIG. 28 is a cross-sectional view of the
図28Aに示した撮像素子10は、4μm×4μmの中に、1画素構成されているため、1画素は、4μm×4μmの大きさとなっている。以下、4μm×4μmの大きさの撮像素子10を、状態Aとする。
The
図28Bに示した撮像素子10は、4μm×4μmの中に、4画素構成されているため、1画素は、2μm×2μmの大きさとなっている。以下、2μm×2μmの大きさの撮像素子10を、状態Bとする。図28Cに示した撮像素子10は、4μm×4μmの中に、16画素構成されているため、1画素は、1μm×1μmの大きさとなっている。以下、1μm×1μmの大きさの撮像素子10を、状態Cとする。
The
図29は、状態A、状態B、状態Cのそれぞれの撮像素子10に対して同じポテンシャルを実現したときの飽和の変化を表すグラフである。図29に示したグラフにおいて、横軸は、最小単位セルサイズ(1画素の大きさ)を表し、縦軸は、単位面積あたりの飽和信号電荷量を表す。また図29に示したグラフには、状態A、状態B、状態Cのそれぞれの単位面積あたりの飽和信号電荷量を、点で図示(円内にA,B,Cを付して図示)してある。
FIG. 29 is a graph showing a change in saturation when the same potential is realized for each of the
状態Aの撮像素子10の単位面積あたりの飽和信号電荷量と状態Bの撮像素子10の単位面積あたりの飽和信号電荷量を比較するに、状態Aの単位面積あたりの飽和信号電荷量の方が、状態Bの単位面積あたりの飽和信号電荷量よりも多い。状態Aの撮像素子10の単位面積あたりの飽和信号電荷量と状態Cの撮像素子10の単位面積あたりの飽和信号電荷量を比較するに、状態Cの単位面積あたりの飽和信号電荷量の方が、状態Aの単位面積あたりの飽和信号電荷量よりも多い。また、状態Bの撮像素子10の単位面積あたりの飽和信号電荷量と状態Cの撮像素子10の単位面積あたりの飽和信号電荷量を比較するに、状態Cの単位面積あたりの飽和信号電荷量の方が、状態Bの単位面積あたりの飽和信号電荷量よりも多い。
To compare the saturated signal charge amount per unit area of the
状態Aから状態Bへの変化は、画素サイズが小さくなり、PN接合容量が拡大している点である。このような変化に伴い、P型不純物領域の面積が増え、相対的にN型不純物領域が減り、その影響のため、単位面積あたりの飽和信号電荷量が減少すると考えられる。状態Bから状態Cへの変化は、さらに画素サイズが小さくなる点にある。このような変換伴い、N型不純物領域が減少するが、PN接合容量が増加した影響で、単位面積あたりの飽和信号電荷量が増大したと考えられる。 The change from the state A to the state B is that the pixel size is reduced and the PN junction capacitance is expanded. With such a change, it is considered that the area of the P-type impurity region increases and the amount of the N-type impurity region relatively decreases, and due to the influence, the saturation signal charge amount per unit area decreases. The change from the state B to the state C is that the pixel size becomes smaller. With such conversion, the N-type impurity region decreases, but it is considered that the saturation signal charge amount per unit area increases due to the influence of the increase in the PN junction capacitance.
これらの関係から、画素サイズを微細化していくと、単位面積あたりの飽和信号電荷量は増加する傾向にあることがわかるが、画素サイズを適切な値で微細化しないと、単位面積あたりの飽和信号電荷量は増加しない場合があることがわかる。 From these relationships, it can be seen that as the pixel size is miniaturized, the saturated signal charge amount per unit area tends to increase. However, if the pixel size is not miniaturized with an appropriate value, the saturation per unit area is saturated. It can be seen that the signal charge amount may not increase.
具体的には、画素サイズを、1.0um以下にすることで、単位面積あたりの飽和信号電荷量を増加させることができる。そこで、上記したように、本技術を適用した撮像素子300のPN接合容量拡大部310のピッチ間隔は、一例として、1.0um以下にする。
Specifically, by setting the pixel size to 1.0 μm or less, the saturated signal charge amount per unit area can be increased. Therefore, as described above, the pitch interval of the PN junction
本技術を適用した撮像素子300の大きさを4μm×4μmで構成した場合、図30に示したような構成となる。図30Aは、図11Bに示した図と同様であり、図11Aに示した撮像素子300をA−A’で切断したときの断面図である。図30Bは、図11Aに示した撮像素子300をB−B’で切断したときの断面図である。なお、図30Bには、参考のため、読み出し電極31も図示してある。
When the size of the
図30Aに示した撮像素子300は、N型不純物領域320の断面であり、4μm×4μmの中に、1画素分のN型不純物領域320が構成されている。4μm×4μmの大きさを有するN型不純物領域320を、状態Dとする。
The
図30Bに示した撮像素子300は、PN接合容量拡大部310の断面であり、4μm×4μmの中に、1μm×1μm(正確には、1μm×1μm以下)のN+領域302が16個構成されている。4μm×4μmの中に、1μm×1μmのN+領域302が16個構成されている状態を、状態Eとする。
The
撮像素子300は、読み出し電極31側には、状態DのN型不純物領域320を有し、読み出し電極31より遠い側(基板の深い部分)には、状態EのPN接合容量拡大部310を有している。すなわち、撮像素子100は、1画素中に、状態Dと状態Eという異なる状態の構成を有している。
The
状態D(図30A)は、状態A(図28A)と同じであり、状態E(図30B)は、状態C(図28C)と同じである。撮像素子300は、読み出し電極31に近い側は、1画素と同等の構成を有しているが、遠い側では微細化された画素と同等の構成を有している。
State D (FIG. 30A) is the same as state A (FIG. 28A), and state E (FIG. 30B) is the same as state C (FIG. 28C). The
図31は、図29に示した状態A、状態B、状態Cのそれぞれの撮像素子10に対して同じポテンシャルを実現したときの飽和の変化を表すグラフに、撮像素子300の単位面積あたりの飽和信号電荷量を追加したグラフである。
FIG. 31 is a graph showing changes in saturation when the same potential is realized for the
撮像素子300は、図30を参照して説明したように、画素としては、状態D(図30A)の構成を有し、4μm×4μmの大きさを有する1画素として機能とする。図31では、状態Dとして、その単位面積あたりの飽和信号電荷量を図示した。
As described with reference to FIG. 30, the
図31を参照するに、撮像素子300は、状態Aの撮像素子10と同等の大きさであるが、その単位面積あたりの飽和信号電荷量は、状態Cの撮像素子10とほぼ同等となっている。このように、撮像素子300によれば、同一サイズの本技術を適用していない撮像素子に比べて飽和信号電荷量を格段に増加させることが可能となる。
Referring to FIG. 31, the
<撮像素子の他の構成>
撮像素子の他の構成について説明する。
<Other configuration of image sensor>
Another configuration of the image sensor will be described.
図32は、本技術を適用した撮像素子の他の構成を示す図である。図32に示した撮像素子500の基本的な構成は、図9に示した撮像素子300と同様であるが、N+領域22がなく、N−領域501のみでN型不純物領域が構成されている点が異なる。撮像素子500は、読み出し電極31側のN型不純物の濃度が薄く構成されている。また撮像素子500も、PN接合容量拡大部310をN―領域501より深い位置に備えている。
FIG. 32 is a diagram showing another configuration of the image sensor to which the present technology is applied. The basic configuration of the
このように、読み出し電極31側のN型不純物の濃度を薄く構成することで、ポテンシャルを浅くすることができる。図33は、図32に示したような構造を有する撮像素子500における深さ方向とポテンシャル(Potential)との関係を示す図である。図33中、点線は、図2に実線で示した撮像素子10におけるポテンシャルの状態を表し、実線は、撮像素子500におけるポテンシャルの状態を表す。
As described above, by making the concentration of the N-type impurity on the
撮像素子500のように、読み出し電極31側のN型不純物の濃度を薄く構成することで、図33に示したように、ポテンシャルのピークが開始する深さを浅い位置にもってくることができる。
By setting the concentration of the N-type impurity on the
また、撮像素子500は、PN接合容量拡大部310を有するため、撮像素子300と同様に、飽和信号電荷量を大きくすることが可能である。
Further, since the
読み出し電極31から遠い基板側(基板の深い側)にPN接合容量拡大部310を配置することで、飽和信号電荷量を向上させることが可能となるため、例えば、従来と同じ飽和信号電荷量、例えば、図1に示した撮像素子10で得られる飽和信号電荷量を確保すれば良い場合、図32に示した撮像素子500のように、基板の表面側のポテンシャルを浅くすることで、表面電界を緩和させることができ、白点を改善させることが可能となる。
By arranging the PN junction
また、ポテンシャルが浅くなることで、読み出し電極31による読み出し能力を向上させることができ、発生した電荷を取りこぼし無く読み出すことが可能な構造とすることができる。また、ポテンシャルが浅くなることで、読み出し電圧を低減できるため、消費電力を低減させることが可能となる。
In addition, since the potential becomes shallower, the read-out capability of the read-
図34は、本技術を適用した撮像素子のさらに他の構成を示す図である。図34に示した撮像素子600の構造は、図9に示した撮像素子300の構造と同一であるが、PN接合容量拡大部310(図9)を構成する材料が異なる。
FIG. 34 is a diagram showing still another configuration of the image sensor to which the present technology is applied. The structure of the
図34に示した撮像素子600のPN接合容量拡大部610は、N+領域302とP+該当領域601から構成されている。P+該当領域601とは、図9に示した撮像素子300のPN接合容量拡大部310のP+領域303に該当する領域である。このP+該当領域601は、不純物以外の絶縁膜、例えば、酸化膜として用いられる材料が充填された領域である。
The PN junction
P+該当領域601に充填できる材料としては、撮像素子600をシリコン基板で構成した場合、仕事関数でシリコンとの界面をホールで満たすことができる材料であればよい。
As a material that can be filled in the P+ corresponding region 601, when the
このP+該当領域601は、撮像素子600の製造時に、エッチングなどの技術を用いて溝を形成し、その溝に絶縁膜、例えば、酸化膜としても用いられる材料が充填されることで形成される。
The P+ corresponding region 601 is formed by forming a groove using a technique such as etching when the
また、エッチングなどの技術を用いて形成される場合、P+領域24が形成され後、P+領域24側から、N―領域301まで掘り込まれ、溝が形成され、その溝にP+該当領域601を形成する材料が充填されることで、P+該当領域601が形成されるようにすることができる。このようにP+該当領域601が形成されるようにした場合、図34に示したように、P+領域24にも、P+該当領域601が形成された構造となる。
In addition, in the case of using a technique such as etching, after the
<画素共有について>
上記した実施の形態において、1つの撮像素子を例示して説明した。例えば、撮像素子300は、m行n列の2次元アレイ状に画素アレイ部に配置されることで用いられる。複数の撮像素子300が配置されたとき、複数の画素、例えば、2画素または4画素でフローティングディフュージョン(FD)が共有された構造とすることができる。本技術を適用した撮像素子においても、画素間共有の技術を適用することができる。
<About pixel sharing>
In the above-described embodiment, one image pickup device has been described as an example. For example, the
図35は、画素アレイ部に横方向で配置されている4画素分の撮像素子を示した。図35Aは、図9(図11A)に示した撮像素子300が、横方向に4画素分配置されている場合を図示した図である。撮像素子300−1乃至300−4のそれぞれには、基板の表面側に読み出し電極31−1乃至31−4が配置され、基板の深い側にPN接合容量拡大部310−1乃至310−4が配置されている。
FIG. 35 shows an image sensor for four pixels arranged in the pixel array portion in the horizontal direction. FIG. 35A is a diagram illustrating a case where the
図35Bは、図34に示した撮像素子600が、横方向に4画素分配置されている場合を図示した図である。撮像素子600−1乃至600−4のそれぞれには、基板の表面側に読み出し電極31−1乃至31−4が配置され、基板の深い側にPN接合容量拡大部610−1乃至610−4が配置されている。
FIG. 35B is a diagram illustrating a case where the
図35A、図35Bに示した撮像素子300、撮像素子600(以下、撮像素子300を例に挙げて説明を続ける)のうち、隣接する撮像素子300の読み出し電極31は、近接した位置に配置されている。
Of the
例えば、隣接している撮像素子300−1と撮像素子300−2の読み出し電極31−1と読み出し電極31−2は、近接した状態で配置されている。同じく、隣接している撮像素子300−3と撮像素子300−4の読み出し電極31−3と読み出し電極31−4は、近接した状態で配置されている。 For example, the read electrode 31-1 and the read electrode 31-2 of the adjacent image pickup device 300-1 and image pickup device 300-2 are arranged in close proximity to each other. Similarly, the read-out electrodes 31-3 and 31-4 of the adjacent image pickup device 300-3 and the image pickup device 300-4 are arranged in close proximity to each other.
また、隣接して配置されている撮像素子300−1と撮像素子300−2は、1つのフローティングディフュージョン(FD)701−1を共有している。同じく、隣接して配置されている撮像素子300−3と撮像素子300−4は、1つのフローティングディフュージョン(FD)701−2を共有している。 Further, the image pickup device 300-1 and the image pickup device 300-2 arranged adjacent to each other share one floating diffusion (FD) 701-1. Similarly, the image pickup device 300-3 and the image pickup device 300-4 arranged adjacent to each other share one floating diffusion (FD) 701-2.
フローティングディフュージョン701−1は、読み出し電極31−1と読み出し電極31−2の間に設けられている。また、フローティングディフュージョン701−1は、P型不純物領域330−1とP型不純物領域330−2に跨って設けられている。なお、図35Aでは、P型不純物領域330−1とP型不純物領域330−2の間に線を付し、境界を明確にしてあるが、説明のために付した線であり、実際のP型不純物領域330−1とP型不純物領域330−2の間には、そのような境界線などはない。 The floating diffusion 701-1 is provided between the read electrode 31-1 and the read electrode 31-2. Further, the floating diffusion 701-1 is provided so as to straddle the P-type impurity region 330-1 and the P-type impurity region 330-2. Note that, in FIG. 35A, a line is added between the P-type impurity region 330-1 and the P-type impurity region 330-2 to clarify the boundary, but the line is added for the sake of description, and the actual P There is no such boundary line between the type impurity region 330-1 and the P type impurity region 330-2.
同様にフローティングディフュージョン701−2は、読み出し電極31−3と読み出し電極31−4の間に設けられている。また、フローティングディフュージョン701−2は、P型不純物領域330−3とP型不純物領域330−4に跨って設けられている。 Similarly, the floating diffusion 701-2 is provided between the read electrode 31-3 and the read electrode 31-4. Further, the floating diffusion 701-2 is provided so as to straddle the P-type impurity region 330-3 and the P-type impurity region 330-4.
図36は、図35Aに示した撮像素子300を、上方から見たときの図であり、PN接合容量拡大部310の部分の断面図である。また説明のために、読み出し電極31も図示した。図36では、2×2の4画素分の撮像素子300を示した。
FIG. 36 is a view of the
撮像素子300−1(PN接合容量拡大部310−1)と撮像素子300−2(PN接合容量拡大部310−2)は、横方向で隣接しており、この2画素で、1つのフローティングディフュージョン(FD)701−1を共有している。フローティングディフュージョン701−1は、撮像素子300−1の読み出し電極31−1と撮像素子300−2の読み出し電極31−2の間に配置されている。 The image pickup device 300-1 (PN junction capacitance expansion part 310-1) and the image pickup device 300-2 (PN junction capacitance expansion part 310-2) are laterally adjacent to each other, and these two pixels form one floating diffusion. (FD) 701-1 is shared. The floating diffusion 701-1 is arranged between the read electrode 31-1 of the image sensor 300-1 and the read electrode 31-2 of the image sensor 300-2.
同じく、撮像素子300−11(PN接合容量拡大部310−11)と撮像素子300−12(PN接合容量拡大部310−12)は、横方向で隣接しており、この2画素で、1つのフローティングディフュージョン701−11を共有している。フローティングディフュージョン701−11は、撮像素子300−11の読み出し電極31−11と撮像素子300−12の読み出し電極31−12の間に配置されている。 Similarly, the image pickup device 300-11 (PN junction capacitance expansion part 310-11) and the image pickup device 300-12 (PN junction capacitance expansion part 310-12) are laterally adjacent to each other, and one pixel is formed by these two pixels. Floating diffusion 701-11 is shared. The floating diffusion 701-11 is arranged between the read electrode 31-11 of the image sensor 300-11 and the read electrode 31-12 of the image sensor 300-12.
このように、隣接する2画素で、1つのフローティングディフュージョン701を共有した構成とすることができる。
As described above, it is possible to adopt a configuration in which two adjacent pixels share one floating
4画素で1つのフローティングディフュージョン701を共有する構成とすることもできる。図37に、4画素で1つのフローティングディフュージョン701を共有するようにした場合の撮像素子300を示す。
It is also possible to adopt a configuration in which one floating
図37は、図36と同じく、2×2の4画素分の撮像素子300を示している。この4画素で1つのフローティングディフュージョン701を共有するため、図37に示したように、4画素の中央部分にフローティングディフュージョン701が配置されている。
Like FIG. 36, FIG. 37 shows an
このフローティングディフュージョン701を囲むように、撮像素子300−1(PN接合容量拡大部310−1)の読み出し電極31−1、撮像素子300−2(PN接合容量拡大部310−2)の読み出し電極31−2、撮像素子300−11(PN接合容量拡大部310−11)の読み出し電極31−11、撮像素子300−12(PN接合容量拡大部310−12)の読み出し電極31−12が配置されている。
The readout electrode 31-1 of the image pickup device 300-1 (PN junction capacitance expansion part 310-1) and the
このように、隣接する4画素で、1つのフローティングディフュージョン701を共有した構成とすることもできる。
As described above, it is also possible to adopt a configuration in which one floating
本技術によれば、上記したように、読み出し電極31の配置位置の自由度が高く、上記したような、2画素または4画素で1つのフローティングディフュージョン701を共有するときに、適切な位置に読み出し電極31を配置することができる。
According to the present technology, as described above, the degree of freedom in the arrangement position of the
本技術によれば、上記したように、撮像素子における飽和信号電荷量を向上させることができる。また、飽和信号電荷量を向上させる構成とした場合においても、従来の撮像素子よりも大きくなるといったこともなく、同等のサイズまたはそれ以下のサイズに収めることが可能である。 According to the present technology, as described above, the saturation signal charge amount in the image sensor can be improved. Further, even when the saturation signal charge amount is improved, the size does not become larger than that of the conventional image pickup device, and the size can be set to the same size or smaller.
<撮像素子の使用例>
図38は、上述の撮像素子の使用例を示す図である。
<Example of use of image sensor>
FIG. 38 is a diagram showing a usage example of the above-described image sensor.
上述した撮像素子は、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングするさまざまなケースに使用することができる。 The above-described image sensor can be used in various cases for sensing light such as visible light, infrared light, ultraviolet light, and X-rays as described below.
・デジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供され装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
-A device that captures images used for viewing, such as a digital camera or a portable device with a camera function.-For driving in front of a car, for safe driving such as automatic stop, and recognition of the driver's condition. Devices used for traffic, such as in-vehicle sensors that take images of the rear, surroundings, and inside the vehicle, surveillance cameras that monitor running vehicles and roads, ranging sensors that perform distance measurement between vehicles, etc. Devices used for home appliances such as TVs, refrigerators, and air conditioners to take images and operate the devices according to the gestures ・Endoscopes, devices that take blood vessels by receiving infrared light, etc. Used for medical care and healthcare ・Security devices such as security surveillance cameras and person authentication cameras ・Skin measuring devices for skin and scalp A device used for beauty, such as a microscope, a device used for sports, such as an action camera or wearable camera for sports purposes, a camera used for monitoring the condition of fields or crops, Equipment used for agriculture
図39は、本技術を適用した電子機器の一例である撮像装置(カメラ装置)1000の構成例を示すブロック図である。 39 is a block diagram showing a configuration example of an imaging device (camera device) 1000 which is an example of an electronic device to which the present technology is applied.
図39に示すように、撮像装置1000は、レンズ群1001などを含む光学系、撮像素子1002、カメラ信号処理部であるDSP1003、フレームメモリ1004、表示部1005、記録部1006、操作部1007、および、電源部1008等を有している。そして、DSP1003、フレームメモリ1004、表示部1005、記録部1006、操作部1007、および、電源部1008がバスライン1009を介して相互に接続された構成となっている。
As shown in FIG. 39, the image pickup apparatus 1000 includes an optical system including a
レンズ群1001は、被写体からの入射光(像光)を取り込んで撮像素子1002の撮像面上に結像する。撮像素子1002は、レンズ群1001によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。
The
表示部1005は、液晶表示装置や有機EL(electro luminescence)表示装置等のパネル型表示装置から成り、撮像素子1002で撮像された動画または静止画を表示する。記録部1006は、撮像素子1002で撮像された動画または静止画を、メモリカードやビデオテープやDVD(Digital Versatile Disk)等の記録媒体に記録する。
The
操作部1007は、ユーザによる操作の下に、本撮像装置1000が持つさまざまな機能について操作指令を発する。電源部1008は、DSP1003、フレームメモリ1004、表示部1005、記録部1006、および、操作部1007の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
The
このような撮像装置1000は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには、スマートフォン、携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールに適用される。そして、この撮像装置1000において、撮像素子1002として、上述した各実施形態に係る撮像素子を用いることができる。これにより、撮像装置1000の画質を向上させることができる。
Such an imaging device 1000 is applied to a video camera, a digital still camera, and a camera module for mobile devices such as smartphones and mobile phones. Then, in the image pickup apparatus 1000, the image pickup element according to each of the above-described embodiments can be used as the
本明細書において、システムとは、複数の装置により構成される装置全体を表すものである。 In this specification, the system refers to the entire apparatus including a plurality of apparatuses.
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また他の効果があってもよい。 It should be noted that the effects described in the present specification are merely examples and are not limited, and may have other effects.
なお、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 Note that the embodiments of the present technology are not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present technology.
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
(1)
半導体基板に基板の上面から深さ方向に順に、
第1のP型不純物領域と、
第1のN型不純物領域と、
第2のP型不純物領域と第2のN型不純物領域とからPN接合面を形成する容量拡大部と
を備える撮像素子。
(2)
前記第1のP型不純物領域の前記第2のN型不純物領域が設けられている面と対面する面に、蓄積された電荷を読み出す読み出し電極をさらに備え、
前記容量拡大部は、前記第1のN型不純物領域よりさらに前記読み出し電極より遠い領域に形成されている
前記(1)に記載の撮像素子。
(3)
前記容量拡大部には、前記第2のP型不純物領域と前記第2のN型不純物領域が、交互に配置されている
前記(1)または(2)に記載の撮像素子。
(4)
前記半導体基板をシリコンで構成し、
前記第2のP型不純物領域は、仕事関数差で前記シリコンとの界面をホールで満たすことができる材料で形成されている
前記(1)乃至(3)のいずれかに記載の撮像素子。
(5)
前記第1のP型不純物領域と、前記第2のP型不純物領域は、異なる方向に設けられた層である
前記(1)乃至(4)のいずれかに記載の撮像素子。
(6)
前記第1のN型不純物領域と、前記第2のN型不純物領域は、異なる方向に設けられた層である
前記(1)乃至(5)のいずれかに記載の撮像素子。
(7)
前記第1のN型不純物領域は、高濃度のN+型不純物領域と低濃度のN−型不純物領域とから構成されている
前記(1)乃至(6)のいずれかに記載の撮像素子。
(8)
前記第1のN型不純物領域は、低濃度のN―領域である
前記(1)乃至(7)のいずれかに記載の撮像素子。
(9)
前記容量拡大部から前記読み出し電極までは、前記電荷を読み出すためにポテンシャルの勾配が付けられている
前記(2)に記載の撮像素子。
(10)
前記容量拡大部内の前記第2のN型不純物領域は、所定方向からの断面図において、四角形状に形成されている
前記(1)乃至(9)のいずれかに記載の撮像素子。
(11)
前記容量拡大部内の前記第2のP型不純物領域は、所定方向からの断面図において、所定の幅を有する曲線形状に形成されている
前記(1)乃至(9)のいずれかに記載の撮像素子。
(12)
前記容量拡大部内の前記第2のP型不純物領域は、所定方向からの断面図において、所定の幅を有する円形状に形成されている
前記(1)乃至(9)のいずれかに記載の撮像素子。
(13)
前記容量拡大部の第2のP型不純物領域と第2のN型不純物領域の繰り返し間隔は、1μm以下とされている
前記(1)乃至(12)のいずれかに記載の撮像素子。
(14)
複数の撮像素子でフローティングディフュージョンを共有し、
前記フローティングディフュージョンの近傍に、前記読み出し電極が配置されている
前記(1)乃至(13)のいずれかに記載の撮像素子。
Note that the present technology may also be configured as below.
(1)
On the semiconductor substrate in order from the top surface of the substrate in the depth direction,
A first P-type impurity region,
A first N-type impurity region,
An image pickup device comprising: a second P-type impurity region and a second N-type impurity region, and a capacitance expanding portion forming a PN junction surface.
(2)
A read electrode for reading the accumulated charge is further provided on a surface of the first P-type impurity region facing the surface on which the second N-type impurity region is provided,
The image pickup device according to (1), wherein the capacitance expanding portion is formed in a region farther from the read electrode than the first N-type impurity region.
(3)
The image pickup device according to (1) or (2), wherein the second P-type impurity regions and the second N-type impurity regions are alternately arranged in the capacitance expanding section.
(4)
The semiconductor substrate is made of silicon,
The image sensor according to any one of (1) to (3), wherein the second P-type impurity region is formed of a material capable of filling an interface with the silicon with holes due to a work function difference.
(5)
The image pickup device according to any one of (1) to (4), wherein the first P-type impurity region and the second P-type impurity region are layers provided in different directions.
(6)
The image pickup device according to any one of (1) to (5), wherein the first N-type impurity region and the second N-type impurity region are layers provided in different directions.
(7)
The image pickup device according to any one of (1) to (6), wherein the first N-type impurity region is composed of a high-concentration N+-type impurity region and a low-concentration N−-type impurity region.
(8)
The image pickup device according to any one of (1) to (7), wherein the first N-type impurity region is a low-concentration N− region.
(9)
The image pickup device according to (2), in which a potential gradient is provided to read out the charges from the capacitance expanding section to the readout electrode.
(10)
The image pickup device according to any one of (1) to (9), wherein the second N-type impurity region in the capacitance expansion portion is formed in a quadrangular shape in a cross-sectional view from a predetermined direction.
(11)
The image pickup according to any one of (1) to (9), wherein the second P-type impurity region in the capacitance expanding portion is formed in a curved shape having a predetermined width in a cross-sectional view from a predetermined direction. element.
(12)
The image pickup according to any one of (1) to (9), wherein the second P-type impurity region in the capacitance expanding portion is formed in a circular shape having a predetermined width in a cross-sectional view from a predetermined direction. element.
(13)
The image sensor according to any one of (1) to (12), wherein the repeating interval between the second P-type impurity region and the second N-type impurity region of the capacitance expanding portion is 1 μm or less.
(14)
Floating diffusion is shared by multiple image sensors,
The image sensor according to any one of (1) to (13), wherein the readout electrode is arranged near the floating diffusion.
21 P+領域, 22 N+領域, 23 N―領域, 24 P+領域, 300 撮像素子, 301 N―領域, 302 N+領域, 303 P+領域, 310 PN接合容量拡大部, 320 N型不純物領域, 330 P型不純物領域, 500 撮像素子, 501 N―領域, 600 撮像素子, 601 P+該当領域, 610 PN接合容量拡大部 21 P+ region, 22 N+ region, 23 N- region, 24 P+ region, 300 image sensor, 301 N- region, 302 N+ region, 303 P+ region, 310 PN junction capacitance expansion part, 320 N-type impurity region, 330 P-type Impurity region, 500 image sensor, 501 N- region, 600 image sensor, 601 P+ applicable region, 610 PN junction capacitance expansion part
Claims (9)
第1のP型不純物領域と、
第1のN型不純物領域と、
前記第1のN型不純物領域よりも濃度が低い第1の低濃度N型不純物領域と、
第2のP型不純物領域と第2のN型不純物領域とからPN接合面を形成する容量拡大部と
を備え、
前記第1のP型不純物領域、前記第1のN型不純物領域、および前記第1の低濃度N型不純物領域は第1の方向において積層され、前記第2のP型不純物領域と前記第2のN型不純物領域は、前記第1の方向とは異なる第2の方向において積層され、
前記第1のN型不純物領域と前記第2のN型不純物領域の濃度は、前記第1の低濃度N型不純物領域よりも高い濃度である
撮像素子。 On the semiconductor substrate in order from the top surface of the substrate in the depth direction,
A first P-type impurity region,
A first N-type impurity region,
A first low-concentration N-type impurity region having a concentration lower than that of the first N-type impurity region;
A capacitance expanding portion forming a PN junction surface from the second P-type impurity region and the second N-type impurity region ,
The first P-type impurity region, the first N-type impurity region, and the first low-concentration N-type impurity region are stacked in the first direction, and the second P-type impurity region and the second P-type impurity region are stacked. N-type impurity regions of are stacked in a second direction different from the first direction,
An image pickup device , wherein the concentrations of the first N-type impurity region and the second N-type impurity region are higher than those of the first low-concentration N-type impurity region .
前記容量拡大部は、前記第1のN型不純物領域よりさらに前記読み出し電極より遠い領域に形成されている
請求項1に記載の撮像素子。 A read electrode for reading accumulated charge is further provided on a surface of the first P-type impurity region facing a surface on which the second N-type impurity region is provided,
The image pickup device according to claim 1, wherein the capacitance expanding portion is formed in a region farther from the read electrode than the first N-type impurity region.
請求項1に記載の撮像素子。 The image pickup device according to claim 1, wherein the second P-type impurity regions and the second N-type impurity regions are alternately arranged in the capacitance expanding section.
請求項2に記載の撮像素子。 The image pickup device according to claim 2, wherein a potential gradient is provided from the capacitance expanding section to the readout electrode in order to read out the charges.
請求項1に記載の撮像素子。 The image pickup device according to claim 1, wherein the second N-type impurity region in the capacitance expansion portion is formed in a quadrangular shape in a cross-sectional view from a predetermined direction.
請求項1に記載の撮像素子。 The image pickup device according to claim 1, wherein the second P-type impurity region in the capacitance expansion portion is formed in a curved shape having a predetermined width in a cross-sectional view from a predetermined direction.
請求項1に記載の撮像素子。 The image pickup device according to claim 1, wherein the second P-type impurity region in the capacitance expansion portion is formed in a circular shape having a predetermined width in a cross-sectional view from a predetermined direction.
請求項1に記載の撮像素子。 The image pickup device according to claim 1, wherein a repeating interval between the second P-type impurity region and the second N-type impurity region of the capacitance expanding portion is 1 μm or less.
前記フローティングディフュージョンの近傍に、前記読み出し電極が配置されている
請求項2に記載の撮像素子。 Floating diffusion is shared by multiple image sensors,
The image pickup device according to claim 2 , wherein the readout electrode is arranged in the vicinity of the floating diffusion.
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